煤層頂板冒落原因分析及支護技術(shù)研究

張燕飛

摘 要：在煤炭地下開采活動中，受煤層地質(zhì)條件和鉆采工藝等因素的影響，常常會發(fā)生煤層頂板冒落事故，給礦山的生產(chǎn)和安全帶來重大的損失。在分析頂板冒落原因的基礎上，提出了頂板冒落的支護技術(shù)，并分析各項技術(shù)的原理和應用特點，為礦山的頂板管理提供建議，以保障礦區(qū)的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：煤層；頂板冒落；原因；支護技術(shù)

中圖分類號：TD327.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）15-0027-02

在煤炭地下開采過程中，維持頂板穩(wěn)定是保障礦山正常生產(chǎn)必不可少的工作之一。一旦發(fā)生采場頂板冒落事故，不僅會使生產(chǎn)被迫停止，影響工作面的進行，增加生產(chǎn)成本，還會威脅到工作人員的生命安全，嚴重影響礦區(qū)的正常運行。

1 頂板冒落機理

當煤層采空以后，頂板的自重要靠頂板本身和煤柱來支撐，而頂板的自重是分布在幾個點上的。當頂板的自重超過頂板的抗拉能力和煤柱的抗壓能力時，就會出現(xiàn)頂板冒落的情況。頂板自重產(chǎn)生微破裂，層理、節(jié)理發(fā)育的部位加速破裂會使頂板局部冒落，頂板本身的抗壓強度不斷削弱，最終會發(fā)生大面積冒落。在頂板冒落前，支架并沒有明顯的變形，只是偶爾支柱會有傾斜。冒落高度雖然不大，但面積很廣，具有突發(fā)性，速度快，沒有明顯的征兆。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造弱面造成冒落

位于煤層頂板的巖石大多為沉積巖，因為地質(zhì)構(gòu)造運動，巖體中存在著豐富的不連續(xù)面，比如較為典型的裂隙、層理、斷層等，使巖體成為不連續(xù)、非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)體，不僅破壞了巖體原本的完整性，還會削弱巖體的力學性質(zhì)，而這些對維護頂板的穩(wěn)定性都是極其不利的。

裂隙是頂板巖體常見的構(gòu)造弱面，在巖層裂隙發(fā)育地帶，頂板受壓易使裂隙末端應力集中，裂隙繼續(xù)擴展致巖體壓碎，巖塊容易垮落，常發(fā)生局部冒頂?shù)那闆r。弱巖體中層理發(fā)育，則該段巖層之間結(jié)合力較弱，受人工震動巖石容易產(chǎn)生離層裂隙而脫離母巖。斷層的存在不僅僅是某部分地層的缺失，在斷層附近的巖石上原生裂隙發(fā)育，頂?shù)装鍘r體結(jié)構(gòu)破碎，巖層面的黏聚力大大降低，巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在采動過程中，斷層將改變巖體的初始應力，直接影響巖層的變形破壞規(guī)律，使頂板巖層的穩(wěn)定性會變差。

1.2 應力集中造成冒落

在煤炭開采前，礦區(qū)的巖體受原始地應力的作用，處于自然平衡的狀態(tài)，隨著采礦工作的進行，這種平衡被破壞了，就會使應力重新分布。在新應力場的應力集中作用下，巖體被破壞發(fā)生變形，自身黏合力和摩擦力降低，因此，頂板巖體穩(wěn)定性降低，最終發(fā)生頂板冒落。

1.3 開采因素

在煤炭開采過程中，爆破產(chǎn)生的沖擊波和膨脹壓力會破壞

附近巖體的原生結(jié)構(gòu)，使其向碎裂結(jié)構(gòu)變化，成為不連續(xù)性的介質(zhì)，同時，它也降低了巖體的力學強度。對巖體中的結(jié)構(gòu)弱面來說，在爆破的作用下，裂隙會大幅擴展，最終形成貫通的破壞面，使巖體承載力下降，巖體受壓破碎，隨之就會發(fā)生頂板冒落。

2 影響頂板穩(wěn)定性的主要因素

2.1 頂板厚度

頂板厚度在很大程度上會影響小斷層的發(fā)育——小斷層發(fā)育，巖層強度會降低，這極大地削弱了頂板的穩(wěn)定性。對厚度大的頂板來說，其穩(wěn)定性較好。

2.2 頂板分層層數(shù)

如果頂板巖體在垂直方向有不同分層，巖性存在明顯差異，則說明該區(qū)域內(nèi)頂板的整體性較差。因為巖石容易沿著層理面發(fā)生離層，尤其是在煤層以上一定范圍內(nèi)的巖層，它對頂板穩(wěn)定性的影響會更大。

2.3 主采煤層與薄煤層間距

當薄煤層與主采煤層距離較近時，頂板錨桿不能貫穿上部薄煤層，錨桿對該段巖層起不到固定的作用。在煤層開采后，薄煤層往往會成為軟弱面，其黏結(jié)力差，易引發(fā)巖塊塌落，從而發(fā)生頂板冒落。

3 支護技術(shù)

根據(jù)煤層頂板地質(zhì)特征和冒落機理可知，只有選用適宜的支護方法才能有效地維護頂板的穩(wěn)定。對于那些松軟破碎、巖性復雜、穩(wěn)定性差的頂板，鑒于其支護難度較大，在設計支護方案時，不應該局限于其中某一種單一技術(shù)，而應該根據(jù)不同支護技術(shù)各自的特點，考慮多種措施聯(lián)合加固，使其加固效果更佳。下面介紹幾種應用較為廣泛的支護技術(shù)。

3.1 錨桿支護

錨桿加固頂板，不僅在很大程度上提高了頂板的整體剛度，而且頂板抗剪強度也有所增強，在采場頂板上布置的預應力錨桿群能對周圍巖體起到擠壓加固的作用。錨桿加金屬網(wǎng)支護不僅能夠充分發(fā)揮錨桿的主動支護作用，同時，還能利用金屬網(wǎng)把錨桿之間的巖層負荷傳遞給錨桿，為已經(jīng)碎裂的巖石提供保護，將巖體變形控制在合理范圍內(nèi)，防止碎巖掉落，起到加固頂板的作用。

使用錨桿加固時，必須測定錨桿的錨固力是否達到了穩(wěn)定頂板所需的強度，合理選擇錨桿的長度，規(guī)范其施工。對于破碎帶不厚的頂板，運用錨桿加固能起到良好的穩(wěn)定效果，但是，對于頂板厚度較大，超過錨桿能夠作用的范圍時，則不能保證錨桿會對頂板起到預定的加固作用，因為該頂板的穩(wěn)定性是存在一定隱患的。

3.2 錨索支護

利用長錨索對礦體頂板進行錨固，布置方式有兩種，即下向扇形（如圖1a）、上向扇形（如圖1b）布置。

兩種鉆孔形式分別為下向扇形和上向扇形，長錨索固段長度不同，前者全孔段放入鋼絲繩，后者部分孔段作為錨固段，錨固段灌入砂漿，待砂漿凝固后，即形成了長錨索預錨固結(jié)構(gòu)。

長錨索能夠限制巖塊位移、調(diào)整巖層應力場、及時穩(wěn)固巖體，但是，它的工藝煩雜，如果其中某一道工序操作不當，錨固效果就會受到影響，甚至會給頂板的支護工作帶來嚴重的后果。因此，這項措施對施工人員的要求比較高，要保證每道工序都能按照操作流程完成。也正是因為它的流程煩雜，所以工程完成時間也會延長。

摘 要：在煤炭地下開采活動中，受煤層地質(zhì)條件和鉆采工藝等因素的影響，常常會發(fā)生煤層頂板冒落事故，給礦山的生產(chǎn)和安全帶來重大的損失。在分析頂板冒落原因的基礎上，提出了頂板冒落的支護技術(shù)，并分析各項技術(shù)的原理和應用特點，為礦山的頂板管理提供建議，以保障礦區(qū)的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：煤層；頂板冒落；原因；支護技術(shù)

中圖分類號：TD327.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）15-0027-02

在煤炭地下開采過程中，維持頂板穩(wěn)定是保障礦山正常生產(chǎn)必不可少的工作之一。一旦發(fā)生采場頂板冒落事故，不僅會使生產(chǎn)被迫停止，影響工作面的進行，增加生產(chǎn)成本，還會威脅到工作人員的生命安全，嚴重影響礦區(qū)的正常運行。

1 頂板冒落機理

當煤層采空以后，頂板的自重要靠頂板本身和煤柱來支撐，而頂板的自重是分布在幾個點上的。當頂板的自重超過頂板的抗拉能力和煤柱的抗壓能力時，就會出現(xiàn)頂板冒落的情況。頂板自重產(chǎn)生微破裂，層理、節(jié)理發(fā)育的部位加速破裂會使頂板局部冒落，頂板本身的抗壓強度不斷削弱，最終會發(fā)生大面積冒落。在頂板冒落前，支架并沒有明顯的變形，只是偶爾支柱會有傾斜。冒落高度雖然不大，但面積很廣，具有突發(fā)性，速度快，沒有明顯的征兆。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造弱面造成冒落

位于煤層頂板的巖石大多為沉積巖，因為地質(zhì)構(gòu)造運動，巖體中存在著豐富的不連續(xù)面，比如較為典型的裂隙、層理、斷層等，使巖體成為不連續(xù)、非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)體，不僅破壞了巖體原本的完整性，還會削弱巖體的力學性質(zhì)，而這些對維護頂板的穩(wěn)定性都是極其不利的。

裂隙是頂板巖體常見的構(gòu)造弱面，在巖層裂隙發(fā)育地帶，頂板受壓易使裂隙末端應力集中，裂隙繼續(xù)擴展致巖體壓碎，巖塊容易垮落，常發(fā)生局部冒頂?shù)那闆r。弱巖體中層理發(fā)育，則該段巖層之間結(jié)合力較弱，受人工震動巖石容易產(chǎn)生離層裂隙而脫離母巖。斷層的存在不僅僅是某部分地層的缺失，在斷層附近的巖石上原生裂隙發(fā)育，頂?shù)装鍘r體結(jié)構(gòu)破碎，巖層面的黏聚力大大降低，巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在采動過程中，斷層將改變巖體的初始應力，直接影響巖層的變形破壞規(guī)律，使頂板巖層的穩(wěn)定性會變差。

1.2 應力集中造成冒落

在煤炭開采前，礦區(qū)的巖體受原始地應力的作用，處于自然平衡的狀態(tài)，隨著采礦工作的進行，這種平衡被破壞了，就會使應力重新分布。在新應力場的應力集中作用下，巖體被破壞發(fā)生變形，自身黏合力和摩擦力降低，因此，頂板巖體穩(wěn)定性降低，最終發(fā)生頂板冒落。

1.3 開采因素

在煤炭開采過程中，爆破產(chǎn)生的沖擊波和膨脹壓力會破壞

附近巖體的原生結(jié)構(gòu)，使其向碎裂結(jié)構(gòu)變化，成為不連續(xù)性的介質(zhì)，同時，它也降低了巖體的力學強度。對巖體中的結(jié)構(gòu)弱面來說，在爆破的作用下，裂隙會大幅擴展，最終形成貫通的破壞面，使巖體承載力下降，巖體受壓破碎，隨之就會發(fā)生頂板冒落。

2 影響頂板穩(wěn)定性的主要因素

2.1 頂板厚度

頂板厚度在很大程度上會影響小斷層的發(fā)育——小斷層發(fā)育，巖層強度會降低，這極大地削弱了頂板的穩(wěn)定性。對厚度大的頂板來說，其穩(wěn)定性較好。

2.2 頂板分層層數(shù)

如果頂板巖體在垂直方向有不同分層，巖性存在明顯差異，則說明該區(qū)域內(nèi)頂板的整體性較差。因為巖石容易沿著層理面發(fā)生離層，尤其是在煤層以上一定范圍內(nèi)的巖層，它對頂板穩(wěn)定性的影響會更大。

2.3 主采煤層與薄煤層間距

當薄煤層與主采煤層距離較近時，頂板錨桿不能貫穿上部薄煤層，錨桿對該段巖層起不到固定的作用。在煤層開采后，薄煤層往往會成為軟弱面，其黏結(jié)力差，易引發(fā)巖塊塌落，從而發(fā)生頂板冒落。

3 支護技術(shù)

根據(jù)煤層頂板地質(zhì)特征和冒落機理可知，只有選用適宜的支護方法才能有效地維護頂板的穩(wěn)定。對于那些松軟破碎、巖性復雜、穩(wěn)定性差的頂板，鑒于其支護難度較大，在設計支護方案時，不應該局限于其中某一種單一技術(shù)，而應該根據(jù)不同支護技術(shù)各自的特點，考慮多種措施聯(lián)合加固，使其加固效果更佳。下面介紹幾種應用較為廣泛的支護技術(shù)。

3.1 錨桿支護

錨桿加固頂板，不僅在很大程度上提高了頂板的整體剛度，而且頂板抗剪強度也有所增強，在采場頂板上布置的預應力錨桿群能對周圍巖體起到擠壓加固的作用。錨桿加金屬網(wǎng)支護不僅能夠充分發(fā)揮錨桿的主動支護作用，同時，還能利用金屬網(wǎng)把錨桿之間的巖層負荷傳遞給錨桿，為已經(jīng)碎裂的巖石提供保護，將巖體變形控制在合理范圍內(nèi)，防止碎巖掉落，起到加固頂板的作用。

使用錨桿加固時，必須測定錨桿的錨固力是否達到了穩(wěn)定頂板所需的強度，合理選擇錨桿的長度，規(guī)范其施工。對于破碎帶不厚的頂板，運用錨桿加固能起到良好的穩(wěn)定效果，但是，對于頂板厚度較大，超過錨桿能夠作用的范圍時，則不能保證錨桿會對頂板起到預定的加固作用，因為該頂板的穩(wěn)定性是存在一定隱患的。

3.2 錨索支護

利用長錨索對礦體頂板進行錨固，布置方式有兩種，即下向扇形（如圖1a）、上向扇形（如圖1b）布置。

兩種鉆孔形式分別為下向扇形和上向扇形，長錨索固段長度不同，前者全孔段放入鋼絲繩，后者部分孔段作為錨固段，錨固段灌入砂漿，待砂漿凝固后，即形成了長錨索預錨固結(jié)構(gòu)。

長錨索能夠限制巖塊位移、調(diào)整巖層應力場、及時穩(wěn)固巖體，但是，它的工藝煩雜，如果其中某一道工序操作不當，錨固效果就會受到影響，甚至會給頂板的支護工作帶來嚴重的后果。因此，這項措施對施工人員的要求比較高，要保證每道工序都能按照操作流程完成。也正是因為它的流程煩雜，所以工程完成時間也會延長。

摘 要：在煤炭地下開采活動中，受煤層地質(zhì)條件和鉆采工藝等因素的影響，常常會發(fā)生煤層頂板冒落事故，給礦山的生產(chǎn)和安全帶來重大的損失。在分析頂板冒落原因的基礎上，提出了頂板冒落的支護技術(shù)，并分析各項技術(shù)的原理和應用特點，為礦山的頂板管理提供建議，以保障礦區(qū)的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：煤層；頂板冒落；原因；支護技術(shù)

中圖分類號：TD327.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）15-0027-02

在煤炭地下開采過程中，維持頂板穩(wěn)定是保障礦山正常生產(chǎn)必不可少的工作之一。一旦發(fā)生采場頂板冒落事故，不僅會使生產(chǎn)被迫停止，影響工作面的進行，增加生產(chǎn)成本，還會威脅到工作人員的生命安全，嚴重影響礦區(qū)的正常運行。

1 頂板冒落機理

當煤層采空以后，頂板的自重要靠頂板本身和煤柱來支撐，而頂板的自重是分布在幾個點上的。當頂板的自重超過頂板的抗拉能力和煤柱的抗壓能力時，就會出現(xiàn)頂板冒落的情況。頂板自重產(chǎn)生微破裂，層理、節(jié)理發(fā)育的部位加速破裂會使頂板局部冒落，頂板本身的抗壓強度不斷削弱，最終會發(fā)生大面積冒落。在頂板冒落前，支架并沒有明顯的變形，只是偶爾支柱會有傾斜。冒落高度雖然不大，但面積很廣，具有突發(fā)性，速度快，沒有明顯的征兆。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造弱面造成冒落

位于煤層頂板的巖石大多為沉積巖，因為地質(zhì)構(gòu)造運動，巖體中存在著豐富的不連續(xù)面，比如較為典型的裂隙、層理、斷層等，使巖體成為不連續(xù)、非均質(zhì)的結(jié)構(gòu)體，不僅破壞了巖體原本的完整性，還會削弱巖體的力學性質(zhì)，而這些對維護頂板的穩(wěn)定性都是極其不利的。

裂隙是頂板巖體常見的構(gòu)造弱面，在巖層裂隙發(fā)育地帶，頂板受壓易使裂隙末端應力集中，裂隙繼續(xù)擴展致巖體壓碎，巖塊容易垮落，常發(fā)生局部冒頂?shù)那闆r。弱巖體中層理發(fā)育，則該段巖層之間結(jié)合力較弱，受人工震動巖石容易產(chǎn)生離層裂隙而脫離母巖。斷層的存在不僅僅是某部分地層的缺失，在斷層附近的巖石上原生裂隙發(fā)育，頂?shù)装鍘r體結(jié)構(gòu)破碎，巖層面的黏聚力大大降低，巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在采動過程中，斷層將改變巖體的初始應力，直接影響巖層的變形破壞規(guī)律，使頂板巖層的穩(wěn)定性會變差。

1.2 應力集中造成冒落

在煤炭開采前，礦區(qū)的巖體受原始地應力的作用，處于自然平衡的狀態(tài)，隨著采礦工作的進行，這種平衡被破壞了，就會使應力重新分布。在新應力場的應力集中作用下，巖體被破壞發(fā)生變形，自身黏合力和摩擦力降低，因此，頂板巖體穩(wěn)定性降低，最終發(fā)生頂板冒落。

1.3 開采因素

在煤炭開采過程中，爆破產(chǎn)生的沖擊波和膨脹壓力會破壞

附近巖體的原生結(jié)構(gòu)，使其向碎裂結(jié)構(gòu)變化，成為不連續(xù)性的介質(zhì)，同時，它也降低了巖體的力學強度。對巖體中的結(jié)構(gòu)弱面來說，在爆破的作用下，裂隙會大幅擴展，最終形成貫通的破壞面，使巖體承載力下降，巖體受壓破碎，隨之就會發(fā)生頂板冒落。

2 影響頂板穩(wěn)定性的主要因素

2.1 頂板厚度

頂板厚度在很大程度上會影響小斷層的發(fā)育——小斷層發(fā)育，巖層強度會降低，這極大地削弱了頂板的穩(wěn)定性。對厚度大的頂板來說，其穩(wěn)定性較好。

2.2 頂板分層層數(shù)

如果頂板巖體在垂直方向有不同分層，巖性存在明顯差異，則說明該區(qū)域內(nèi)頂板的整體性較差。因為巖石容易沿著層理面發(fā)生離層，尤其是在煤層以上一定范圍內(nèi)的巖層，它對頂板穩(wěn)定性的影響會更大。

2.3 主采煤層與薄煤層間距

當薄煤層與主采煤層距離較近時，頂板錨桿不能貫穿上部薄煤層，錨桿對該段巖層起不到固定的作用。在煤層開采后，薄煤層往往會成為軟弱面，其黏結(jié)力差，易引發(fā)巖塊塌落，從而發(fā)生頂板冒落。

3 支護技術(shù)

根據(jù)煤層頂板地質(zhì)特征和冒落機理可知，只有選用適宜的支護方法才能有效地維護頂板的穩(wěn)定。對于那些松軟破碎、巖性復雜、穩(wěn)定性差的頂板，鑒于其支護難度較大，在設計支護方案時，不應該局限于其中某一種單一技術(shù)，而應該根據(jù)不同支護技術(shù)各自的特點，考慮多種措施聯(lián)合加固，使其加固效果更佳。下面介紹幾種應用較為廣泛的支護技術(shù)。

3.1 錨桿支護

錨桿加固頂板，不僅在很大程度上提高了頂板的整體剛度，而且頂板抗剪強度也有所增強，在采場頂板上布置的預應力錨桿群能對周圍巖體起到擠壓加固的作用。錨桿加金屬網(wǎng)支護不僅能夠充分發(fā)揮錨桿的主動支護作用，同時，還能利用金屬網(wǎng)把錨桿之間的巖層負荷傳遞給錨桿，為已經(jīng)碎裂的巖石提供保護，將巖體變形控制在合理范圍內(nèi)，防止碎巖掉落，起到加固頂板的作用。

使用錨桿加固時，必須測定錨桿的錨固力是否達到了穩(wěn)定頂板所需的強度，合理選擇錨桿的長度，規(guī)范其施工。對于破碎帶不厚的頂板，運用錨桿加固能起到良好的穩(wěn)定效果，但是，對于頂板厚度較大，超過錨桿能夠作用的范圍時，則不能保證錨桿會對頂板起到預定的加固作用，因為該頂板的穩(wěn)定性是存在一定隱患的。

3.2 錨索支護

利用長錨索對礦體頂板進行錨固，布置方式有兩種，即下向扇形（如圖1a）、上向扇形（如圖1b）布置。

兩種鉆孔形式分別為下向扇形和上向扇形，長錨索固段長度不同，前者全孔段放入鋼絲繩，后者部分孔段作為錨固段，錨固段灌入砂漿，待砂漿凝固后，即形成了長錨索預錨固結(jié)構(gòu)。

長錨索能夠限制巖塊位移、調(diào)整巖層應力場、及時穩(wěn)固巖體，但是，它的工藝煩雜，如果其中某一道工序操作不當，錨固效果就會受到影響，甚至會給頂板的支護工作帶來嚴重的后果。因此，這項措施對施工人員的要求比較高，要保證每道工序都能按照操作流程完成。也正是因為它的流程煩雜，所以工程完成時間也會延長。